روند توسعه جایگزین های گاز SF6

جایگزین های گاز SF6 در تابلو برق صنعتی

گاز Sf6 به طور گسترده ای در سیستم های انتقال و توزیع نیروی الکتریکی استفاده می شود، به عنوان مثال در تابلو برق عایق گاز (GIS)، بریکرها (CB) و سوئیچ های قطع بار. از ویژگی های اصلی این گاز، عایق الکتریکی منحصر به فرد و قابلیت قطع قوس بالا است. با این حال، این همچنین یک گاز گلخانه ای بسیار قوی با پتانسیل گرمایش جهانی (GWP) در حدود 23500 در یک افق زمانی 100 ساله است و استفاده و انتشار آن با محدودیت های بیشتر تنظیم می شود. در نتیجه، جستجو برای گازهای جایگزین برای استفاده در کاربردهای برق از حدود دو دهه پیش ادامه داشته است. در این مقاله به طور خلاصه وضعیت راه حل های فعلی گازهای جایگزین با تمرکز بر کاربرد سوئیچینگ بررسی می شود.

گازهای جایگزین Sf6

جست و جوی روزافزون برای گازهای جایگزین سولفور هگزا فلوراید حدود دو دهه پیش پس از توافق پروتکل کیوتو در سال 1997 آغاز شد و در 10 سال گذشته تمرکز بیشتری پیدا کرد. الزامات مهم زیر برای گازهای جایگزین موارد زیر هستند:

• پتانسیل پایین گرمایش جهانی (GWP) و پتانسیل تخریب لایه ازن صفر (ODP).
• سمی نبودن و غیر قابل اشتعال بودن
• استحکام دی الکتریک بالا، قابلیت خاموش کردن قوس و خاصیت اتلاف حرارت
• ثبات و سازگاری مواد در دسترس بودن در بازار

از مطالعات مختلف در مورد گازهای با منشاء طبیعی، گاز دی اکسید کربن، امیدوار کننده ترین گاز خاموش کننده قوس الکتریکی است که احتمالاً توسط برخی از مواد افزودنی عملکرد آن افزایش یافته است. با این حال عملکرد سوئیچینگ و دی الکتریک CO2 هر دو کمتر از SF6 است. گازهای جالب دیگر به عنوان گازهای فلوئوردار مانند CF3I، پرفلوروکتون ها (مانند C5F10O) و پرفلورونیتریل ها (مانند C4F7N) شناسایی شدند. با در نظر گرفتن همه الزامات، به نظر می رسد امیدوارکننده ترین نامزدها در حال حاضر C5 پرفلوروکتون (CF3C(O)CF(CF3)2 یا C5-PFK) و پرفلورونیتریل iso-C4 ((CF3)2-CF-CN یا C4-PFN) هستند.

عملکرد دی الکتریک گازهای جایگزین

عملکرد دی الکتریک گازهای خالص معمولاً با نقطه جوش مقیاس می شود، یعنی گازهایی با قدرت دی الکتریک بالا معمولاً نقطه جوش بالایی نیز دارند. برای C5-PFK و C4-PFN، نقطه جوش در 0.1 مگاپاسکال به ترتیب 26.5 درجه سانتیگراد و -4.7 درجه سانتیگراد است. بنابراین، برای کاربرد در تابلو برق صنعتی، که در آن نقطه جوش به اندازه کافی پایین برای شرایط دمای پایین مورد نیاز است، یک مخلوط گاز بافر مورد نیاز است. CO2 برای این نقش در HV به دلیل قابلیت خاموش کردن قوس خوب انتخاب می شود. در کاربرد تابلو برق فشار متوسط نیز به عنوان گاز بافر در ترکیب با C5-PFK برای اهداف عایق گزارش شده است. غلظت C5-PFK و C4-PFN و در نتیجه عملکرد مخلوط ها به حداقل دمای عملیاتی مورد نیاز تابلو بستگی دارد. یک رویکرد جایگزین اضافی برای استفاده از هوا برای عایق بندی پیشنهاد شده است.

لیست گازهای جایگزین SF6

نامزدهای احتمالی معرفی شده اند که عبارتند از: هوا، N2، CO2، پرفلوئوروکربن (PFC)، هیدروفلوئوروکربن (HFC)، مخلوط های گازی حاوی SF6 همانطور که در شکل 1 با دمای جوش نشان داده شده است. این گازها استحکام دی الکتریک بالاتری ندارند اما GWP کمتری نسبت به SF6 دارند و نقطه جوش آنها زیر صفر درجه سانتیگراد است. روش‌های دیگر برای اعمال گازهای جایگزین جدید با GWP پایین در سیستم‌های عایق گاز اکنون در دست مطالعه هستند.

این موارد عبارتند از CF3I، فلورونیتریل (C4F7N) و فلوروکتونها (C5F10O: C5 F-کتون، C6F12O: C6 F-کتون)، و پیشنهاد می شود به عنوان گاز مخلوط با CO2 و O2 استفاده شود. این گازها دارای ویژگی استحکام دی الکتریک عالی تر اما نقطه جوش بالاتر نسبت به SF6 هستند.

عوامل مهم در انتخاب گاز جایگزین 

بررسی هرگونه جایگزین باید فراتر از مشخصات فنی باشد و می بایست اطمینان حاصل کنید که تمام پارامترها به طور کلی ارزیابی می شود. این عوامل شامل ایمنی، قابلیت اطمینان، پایداری طولانی مدت، اثرات زیست محیطی و سلامت می باشد. خلاصه خروجی آنها در شکل 2 قابل مشاهده است.

در حالی که اثرات زیست محیطی SF6 برای چندین دهه شناخته شده و کمیت شده است، مشکل قابل توجهی در یافتن یک ماده جایگزین وجود دارد که نه تنها با عملکرد فنی SF6 مطابقت داشته باشد، بلکه بتواند همان راه حل فشرده را برای خدمت به برنامه های فعلی ارائه دهد. هر جایگزین بالقوه باید GWP پایینی داشته باشد و همچنین با معیارهای دقیقی که تابلو برق نیاز دارد، مطابقت داشته باشد. این مشخصات عبارتند از:

• قدرت دی الکتریک بالا
• اتلاف حرارت بالا
• نقطه جوش کم
• سمی نبودن 
• قابلیت خاموش کردن قوس 
• بدون تخریب لایه ازن (ODP)
• غیر قابل اشتعال بودن
• سازگار با مواد تابلو برق (غیر خورنده)
• بی اثر شیمیایی
• پایداری بالا
• در دسترس بودن بازار
• تعمیر و نگهداری آسان

جدول 1 مشخصات فنی کلیدی گازهای خالص جایگزین sf6 را خلاصه می کند:

پیشرفت ها در جایگزین کردن گاز SF6

محیط های خالص توسعه یافته توسط برخی شرکت ها، با گازهای معمولی مانند هوا، نیتروژن و دی اکسید کربن برای کاهش نقطه جوش محصولات خالص ترکیب شده اند تا آن ها را برای کاربردهای تابلو برق مناسب کنند. با این حال این تغییرات، استحکام دی الکتریک را کاهش داده است. همچنین، کربن دی اکسید خالص به عنوان یک جایگزین مناسب برای اهداف این مطالعه دارای ضعف هایی نیز است، از جمله به دلیل افزایش ابعاد فیزیکی تابلو برق، نسبت به واحد SF6 با جریان مشابه. 

 تابلو برق MV موجود توسط گازهای جایگزین در بازار

در ادامه به معرفی برخی از محصولات شرکت های مختلف سازنده تابلو برق که از گازهای جایگزین SF6 استفاده می کنند می پردازیم.

تابلو برق مدل ABB- AirPlus

AirPlus که با همکاری شرکت 3M و ABB توسعه یافته است، یک فلوروکتون (C5-PFK) است. در این ترکیب مانند سایر گازهای خالص، افزودن فلوئور قدرت دی الکتریک را به قیمت افزایش نقطه جوش افزایش می دهد. پس از آن، برای کاهش نقطه جوش به یک ترکیب بافر نیاز داشت. برای تابلو برق فشار متوسط، Novec 5110 با هوای خشک ترکیب شده است. شرکت ABB SafeRing AirPlus را به عنوان یک ولتاژ متوسط توسعه داده و به صورت تجاری تبلیغ کرده است.

RMU داخلی عایق گاز، که می تواند در 24 کیلو ولت با جریان 630 A کار کند. این محصول از AirPlus به عنوان یک محیط عایق برای قطع خلاء استفاده می کند. علاوه بر این، ABB همچنین SafeRing Air را توسعه داده است که از عایق هوای خشک تا 11 کیلو ولت استفاده می کند. هر دو محصول دارای ابعاد فیزیکی مشابه SafeRing، RMU عایق SF6 ABB هستند. در شکل 3 تابلوی MV ABB ZX2 AirPlus را می بینیم:

فن آوری هوای پاک و خلاء زیمنس 

تابلو برق فشار متوسط شرکت زیمنس که به گاز عایق SF6 نیاز ندارد: 8DA این سیستم از هوای تمیز که فقط از ترکیبات طبیعی هوای محیط تشکیل شده است به عنوان گاز عایق استفاده می کند. تابلو برق افزوده شده به خانواده محصولات 8DA و 8DB است و همچنین با فناوری سوئیچینگ خلاء اثبات شده کار می کند. یک واحد قطع کننده خلاء سوئیچینگ و خاموش کردن قوس را انجام می دهد، در حالی که گاز طبیعی رساناهای حامل جریان را در داخل محفظه تابلو برق محصور شده با فلز و عایق گاز (GIS) عایق می کند. این سیستم آزمایش شده برای سوئیچ کردن جریان های بالا در سطح توزیع اولیه استفاده می شود.

GE – g3

ترکیب g3 با همکاری جنرال الکتریک و 3M توسعه یافته است و کاملاً نوع آزمایش شده است و به صورت تجاری در دسترس است. مشابه AirPlus، برای کاهش نقطه جوش به یک ترکیب بافر نیاز دارد. برای طراحی MV، Novec 471010 (یک C4-PFN) با نیتروژن مخلوط شده است. در سطوح HV، CO2 برای بهبود خواص الکتریکی گاز مخلوط می شود. از نظر فنی، مشخص شده است که g3 دارای ویژگی های عملکردی مشابه با SF6 است، به عنوان مثال، می تواند همان قدرت دی الکتریک SF6 را در شرایط محیطی ارائه دهد.

نوونتورا – هوای مصنوعی

Nuventura محصول خود را معرفی کرده است که از هوای مصنوعی به عنوان عایق استفاده می کند، بدون اینکه به فشردگی ارائه شده توسط تابلو برق SF6 آسیبی وارد شود، که با عرض معمولی راه حل های SF6 مطابقت دارد. علاوه بر این، آنها پیشنهاد کرده‌اند که هزینه‌های سرمایه‌ای و عملیاتی در مقایسه با تابلو برق SF6، 7 تا 10 درصد، به دلیل عدم نیاز به روش‌های انتقال گاز یا مقررات گاز کمتر است. محصول آنها می‌تواند برای 12-36 کیلو ولت کار کند.

فناوری عایق جامد

چندین تولیدکننده فناوری سنتی بریکر خلاء را به عنوان یک رسانه قطع کننده جایگزین برای گاز SF6 مطرح کرده اند که چندین سال است در دسترس بوده است. شرکت هایی مانند Eaton، Schneider، ABB و Lucy همگی محصولات تجاری در دسترس دارند که می توانند جریان های خطای ولتاژ متوسط را قطع کنند.

سایر روش ها و راهکارها

در حالی که برخی از محصولات هنوز از SF6 به عنوان یک رسانه عایق استفاده می کنند، برخی دیگر مانند Eaton و Schneider با استفاده از عایق جامد محصولات بدون SF6 را توسعه داده اند. چنین فناوری ممکن است موانع دیگری برای غلبه بر داشته باشد، مانند قرار دادن اجزای جایگزین در تابلو برق که ممکن است با روش‌های نصب فعلی در تضاد باشد.

خلاصه مطلب و نتبجه گیری

تحقیقات نشان داده است که در حال حاضر راهکارهای خوبی برای جایگزینی SF6 در یک بریکر وجود دارد. AirPlus و g3 هر دو در حال حاضر در شبکه های زنده تحت آزمایش هستند و طبق مشخصات IEC آزمایش شده اند. علاوه بر این، فناوری قطع خلاء با شرکت های متعددی که محصولات تجاری را با استفاده از رسانه های عایق مختلف ارائه می دهند، به خوبی مورد تحقیق قرار گرفته است. جایگزین های SF6 شامل اپوکسی جامد و گازهای معمولی طبیعی است. HFC1234zee نیز به عنوان یک جایگزین عایق احتمالی مورد بررسی قرار گرفته است. در نهایت، Nuventura فناوری ارائه کرده است که از هوای خشک در محلول های نسبتا فشرده استفاده می کند.

بنابراین، جایگزین‌های عایق برای گاز SF6 که می‌توان برای تعبیه مجدد در تابلو برق موجود در شرایط آزمایشگاهی در نظر گرفت، AirPlus، g3، HFC1234zee و اپوکسی جامد هستند. جایگزین های گاز SF6 که می تواند برای نصب مجدد در تابلو برق موجود در شرایط آزمایشگاهی در نظر گرفته شود، فناوری g3 و خلاء است.

همچنین این دیدگاه فنی اصلی باید در گازهای جایگزین در نظر گرفته شود:

• خواص اساسی و عملی گازها (مخلوط N2، CO2 و N2/SF6) برای سیستم های عایق گاز بالقوه، به عنوان مثال. عایق بندی، تشخیص PD و تکنیک های نظارت.
• خصوصیات قطع جریان کوچک توسط قطع کننده ها و کلیدهای زمین در GIS
• قابلیت بازیافت گازهای بالقوه و مثال‌های کاربردی برای سیستم‌های عایق گاز بالقوه.
• تست های دی الکتریک جایگزین (روتین) با استفاده از گازهای بالقوه و مواد عایق قابل بازیافت 

ساخت و تولید انواع تابلو برق با فناوری روز دنیا 

آیا می دانید آداک در راستای ارائه جدیدترین فناوری ها در صنعت تابلو برق، طیف وسیعی از محصولات را طراحی و تولید می کند؟ برای آشنایی بیشتر با راهکارهای حرفه ای آداک در این زمینه و دریافت مشاوره جهت طراحی و ساخت تابلو برق فشار ضعیف و فشار متوسط برای پروژه صنعتی یا مسکونی خود، هم اکنون با کارشناسان ما تماس بگیرید.

دفتر مرکزی: کرج، عظیمیه. بلوار 45 متری کاج، پلاک 199، واحد 1 و 3

تلفن: 02634156000

ایمیل: info@adakbn-co.com

دفتر تهران: بزرگراه اشرفی اصفهانی، خیابان مخبری، پلاک 10 واحد 6

تلفن: 02144491255

ایمیل: sales@adakbn-co.com

کارخانه: شهرک صنعتی صفادشت، بلوار فروردین، خیابان فروردین نهم غربی، پلاک 104

تلفن: 02634156000